“麥昆成長記”STEAM教育系列課程——麥昆識路

教學背景

教育部《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確提出要探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等創(chuàng)新教育模式。在此背景下，筆者以麥昆機器人成長學習過程中遇到的問題為主線，以問題解決為導向，以激發(fā)學生創(chuàng)新意識為目標，將傳統(tǒng)制造技藝、開源與人工智能技術、創(chuàng)客思維和STEAM教育理念相結合，兼顧并協(xié)調(diào)學生科學素養(yǎng)、人文精神和藝術涵養(yǎng)的發(fā)展。

本課的教學對象宜為小學高年級和初中學生。他們的認知發(fā)展正處于由具體運算階段（7～12歲）向形式運算階段（12～15歲）過渡時期，借助具體的硬件支持（麥昆機器人及其周邊開源的軟硬件器材）可以系統(tǒng)地學習科學原理和數(shù)學規(guī)則，啟發(fā)概括能力，逐步掌握邏輯推理、歸納或演繹能力。

教學目標

1.了解交通標志的歷史，識別交通標志并理解其含義。

2.利用MU視覺識別傳感器識別交通卡片。

3.利用物聯(lián)網(wǎng)模塊將識別的交通信息上傳到SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺。

STEAM視野

科學：道路上的交通標志。

技術：視覺識別、物聯(lián)網(wǎng)。

工程：數(shù)據(jù)通信。

教學準備

麥昆機器人套件、micro：bit控制板、MU視覺識別傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊各1件，銅柱、螺絲若干。

教學過程

一、情境導入

師：麥昆和小伙伴們來到了一片無人經(jīng)過的路段，要想通過這一無人路段只能依靠識別路段上擺放的交通標志指示牌。為了保證大家安全通行，麥昆決定先去探路，并通過SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺及時將行走的路線傳送給其他小伙伴。但是麥昆對道路交通標志并不熟悉，你們有辦法幫助麥昆嗎？

學生思考并回答：可以借助視覺識別技術給麥昆添加交通卡片識別功能。

二、講授知識

1.了解交通標志的歷史

據(jù)記載，早在中國周朝就有了“列樹以表道”的制度，即在道路兩旁種植行道樹。在國外，古羅馬時期，從羅馬到加普亞的軍用大道上就設有里程碑和指路牌。

然而多數(shù)人還是認為現(xiàn)代道路交通標志起源于英國。1879年12月，參加自行車聯(lián)盟的英國地方組織塞克林格俱樂部，在通往山區(qū)的道路上，用油漆在鐵板上寫了一個預告危險的交通標志“到塞克利斯特——這個山丘危險”。這個預告標志成為有史以來文字記載的最早的道路交通標志。

2.認識交通標志

交通標志，是指用文字或符號傳遞引導、限制、警告或指示信息的道路設施，又稱道路標志或道路交通標志。

道路交通標志分為主標志和輔助標志兩大類。主標志又分為指示標志、指路標志、警告標志、禁令標志、旅游區(qū)標志和道路施工安全標志這6種。而我們今天主要學習的是道路指示標志，用以指示車輛和行人按規(guī)定方向、地點行駛。

三、操作實踐

1.明確任務需求

師：麥昆在沒有檢測到交通指示牌時，會在地圖上直行，這時可利用巡線傳感器進行判斷。當左邊的傳感器檢測到黑線時，向右側轉向;當右邊的傳感器檢測到黑線時，向左側轉向;當左右兩個傳感器都檢測到黑線時，小車停止。我們還可以將識別交通卡片的過程定義為一個函數(shù)，讓函數(shù)實現(xiàn)功能——MU視覺識別傳感器檢測到不同的標志牌，小車執(zhí)行相應的動作。

本例中，我們計劃使用MU視覺識別傳感器識別的交通卡片為掉頭、右轉、左轉、停止，如圖1。

2.電路連接

將MU視覺識別傳感器的4根線與I2C進行連接，SDA（藍色）—SDA，SCL（綠色）—SCL，GND（黑色）—負極，VCC（紅色）—正極;物聯(lián)網(wǎng)模塊與麥昆車體P1、P2進行連接，T（綠色）—P1，R（藍色）—P2，VCC（紅色）—正極，GND（黑色）—負極。

3.結構搭建

（1）制作指示牌

第一步：準備兩個黑色燕尾夾和交通卡片，制作交通指示牌。

第二步：將兩個黑色燕尾夾分別夾在交通卡片的左右兩側，將卡片豎立起來，如圖2。

（2）布置場地

將左轉、右轉、掉頭、停止等交通指示牌放置在場地中合適位置，如圖3。

4.編程實踐

第一步：編程環(huán)境部署。打開Mind+軟件，添加“micro：Maqueen（麥昆）”套件模塊;然后切換到傳感器模塊，選擇并添加“視覺識別攝像頭”;切換到通信模塊，選擇并添加“OBLOQ物聯(lián)模塊”。

第二步：編寫主程序。主程序應該包括兩部分，一部分是對交通卡片的識別程序，如圖4;另一部分是巡線處理程序，如圖5。

5.運行測試

將麥昆小車放到場地起點處，打開電源后，重啟micro：bit控制板（MU視覺識別算法啟動要等待一段時間）。等到物聯(lián)網(wǎng)模塊指示燈變成綠色后，小車前進并完成后續(xù)動作。收集到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

四、拓展延伸

師：本例中，我們使用MU視覺識別傳感器識別交通卡片，結合SIoT物聯(lián)網(wǎng)技術，將麥昆在行駛中遇到的交通標志信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺。在麥昆小車行走過程中，我們還使用了巡線傳感器，你能否修改程序，使得麥昆通過MU視覺識別傳感器識別道路兩邊的黑線和交通卡片完成探路，并將完整行駛路線數(shù)據(jù)上傳？

學生思考并操作實踐。

教學反思

本課以STEAM教育理念為指導，倡導跨學科的STEAM學習方式，將科學、技術、工程、藝術和數(shù)學有機融為一體，提升了學習的趣味性，讓學生在學中玩、在玩中學、在玩中創(chuàng)。課例將人工智能與物聯(lián)網(wǎng)結合，通過AIoT解決現(xiàn)實生活中的具體問題，幫助學生樹立工程與藝術的優(yōu)化、提升和權衡的意識，在面向真實問題、理性分析設計、物化問題解決方案的過程中，讓學生學會講原則、守倫理、敢創(chuàng)新，充分應對未來世界的挑戰(zhàn)。

陳杰 南京師范大學附屬中學樹人學校信息技術高級教師，中國電子學會會員，江蘇省計算機學會會員，江蘇省科普作家學會會員、《無線電》雜志項目與制作專欄作者。致力于創(chuàng)客教育、STEAM教育研究，出版創(chuàng)客類圖書3本。所帶學生在各級各類創(chuàng)客大賽、創(chuàng)新大賽中成績優(yōu)異。